《电工基础与运用（上、下册）》 教案 项目六 耦合电感和谐振电路认识 任务四 串联谐振认识任务五 并联谐振认识

《电工基础与应用》单元课程教案四川电力职业技术学院2023年9四川电力职业技术学院2023年9月版本信息课程名称《电工基础与应用》课程代码100182制定部门电力设备技术系制订人（修订人）张煌竟、程蓉、程铭、廖翔志、钟运来、沈永海审核人（教研室主任）席川审批人（系部主任）汤晓青发布日期：2023年9月1日版本2023年版

模块二项目六耦合电感和谐振电路认识任务四串联谐振认识&任务五并联谐振认识课程名称任务四串联谐振认识&任务五并联谐振认识授课对象发电专业大一（上）学生教学课时理论课程4课时授课地点教室授课类型理论课程说明本任务是项目六耦合电感和谐振电路认识的最后两个项目，是上一节内容的延申。教学内容串联谐振和并联谐振的特点。教材选用教材名称：《电工基础与运用（下册）》教师参考书目：《电路与磁路》（第四版）、《电路原理》学情分析知识基础学生能对含有耦合电感的正弦电流电路进行简单分析。能力水平学生具有计算耦合电感电路的能力。行为特征学生高考成绩普遍在350-440之间，理论思维、逻辑分析能力较差，对抽象的逻辑概念公式理解能力较弱，班上学生有1/3左右为文科生，物理基础更加薄弱。学生善于利用网络媒介、信息化资源，比起枯燥的单向讲授更愿意接受音频、视频、图片知识。教学目标素质目标（1）通过引入具体电路的谐振案例，培养学生对电力系统谐振危害性的认识，树立安全生产、防治谐振的理念，学习防治谐振的方法（2）使学生养成设计具体电路时对可能存在谐振现象的识别检测能力，培养其严谨的工作态度；知识目标（1）理解并能陈述电路谐振的原理，发生串联谐振或并联谐振的条件（2）理解品质因数的概念，理解并能牢记串联谐振和并联谐振的特征能力目标（1）能对具体的电路分析其中是否可能存在串联谐振或并联谐振；对存在串联谐振或并联谐振的电路，能计算其相应电路固有频率或分析其发生谐振的频率范围（2）能计算相应电路的品质因数，分析具体品质因数下电路的谐振电压和谐振电流大小教学重点串联谐振和并联谐振的定义、条件，电路谐振中固有频率的计算教学难点电路谐振中谐振回路的识别和谐振过程中的电路能量交换过程教学策略教学组织本任务教学采用线上+线下混合教学模式，结合学习通在线课程资源，提前一天发布预习视频，要求学生提前观看教学视频，在课上使用学习通APP进行分组、选人、随堂练习，评分和计时功能，及时获得教学反馈，在课下发布习题巩固教学成果。充分发挥项目导学、自主探学、合作研学、展示赏学、互检评学、课后拓学的六学模式，突出学生的课堂主体地位。教学方法教学中采用分组教学法、任务驱动法教学资源线上视频资源：/mooc-ans/mycourse/teacherstudy?chapterId=788950451&courseId=237538271&clazzid=84991162线下授课资源：纸质教材、电子教材、配套PPT教学准备学生准备提前一天观看线上教学视频，提交学习心得，标注难以理解的知识点环境准备提前一天调试好教室多媒体、话筒等教学设备。资料准备教材、随堂练习、课堂名单。教学实施过程教学环节教学内容师生活动设计意图与资源教师活动学生活动课前探索引入授课内容：复习耦合电感元件、含耦合电感的正弦电流电路，以钟摆的简谐运动为例类比引入电路谐振现象；同学们，生活中存在的钟摆简谐运动就是谐振的一个典型案例，钟摆在运动过程中发生着动能和势能的交换，不考虑能量摩擦耗散其简谐运动也存在一个谐振频率：式中，k和m分别是弹簧张力系数和摆块质量。那么对于电路中，是否也存在类似的谐振过程呢？有！收音机的调谐就是一个典型案例：同学们玩过收音机没有？熊猫牌收音机所谓调谐，就是我们调整收音机自身的固有频率，使之与外界广播台发送的无线电磁波的相应频率一致，这时候收音机就会“选出”对应广播台的频率放大后就会产生响声，而调幅呢？就是收音机调谐选频之后调节放大倍数罢了。所以电路中是存在谐振的哈同学们，那么到底电路产生谐振有哪些条件，然后电路又有那些谐振的种类呢，谐振的能量交换过程是什么，谐振频率又怎么算呢？这就是我们这堂课要重点讨论的内容。1.以钟摆元素，引入课程，发起学生小组讨论并巡视2总结一下钟摆振动和收音机调谐两个案例并讲解电路中类似的谐振问题看一个完整的钟摆振动周期，小组讨论谈谈振动的能量交换过程和谐振频率是什么观察自带的收音机自己旋转调谐旋钮感受一下收音机调谐过程设计意图：通过实操的形式让学生对本节重难点有一个更清晰的认知，结合讲授法以及视频学习的形式让学生进一步了解知识点，最后以完成习题的形式对知识点进行巩固，来逐步突破本节课的教学重难点；资源：试验场地、试验器具、超星平台、参考教材、多媒体PPT。课中导学串联谐振新课内容：串联谐振；同学们，我们来看看第一种电路谐振：串联谐振。串联谐振为什么叫串联谐振呢？因为其中的谐振元件：电感和电容是串联方式连接，我们说，之前钟摆的简谐运动其实就是摆块运动过程中动能和势能的交换，那么这里呢，其实就是电感的磁场能和电容的电场能之间的谐振能量交换，他的固有频率是什么，那其实就是电路呈纯阻性时，即L和C所储存能量互相抵消的过程，那么这个时候纯阻性意味着什么呢？考虑：如果虚数项等于0，这时候就是纯电阻，这时候电路负载功率全部是纯有功功率，无功功率由于电感和电容大小一样，相当于发出无功和吸收无功正好相抵，电路没有无功功率负荷消耗：即：这里，f0就是电路的固有频率，固有怎么理解同学们？就是看这个式子f0只取决于L和C的大小，而L和C是电路一开始设计时就设计好，定死了的，也就是固有的，本来就是这样的，就是这个意思。反过来说，我们拿到一个电路，如果发现L和C直接串联了，嘿嘿，那这时候电路的串联谐振的固有频率我们就能直接预先算出来了。这时，串联谐振的谐振条件也就是电源频率等于f0，哎换句话说就是外界激励的频率等于电路固有频率。这句话可以类比简单理解，就是说收音机调谐时候，我们调谐就是调收音机电路的固有频率，就是调节L和C的相对大小，然后使这个固有频率和外界激励也就是广播电磁频率一样，这时候电路就谐振了。而如果说没调好，没产生谐振呢，就是这时候电路不是纯阻性的，存在无功负荷，要么是电感占优的感性无功要么就是电容占优的容性无功。那么接下来，串联谐振有什么特点呢，这时候电路纯阻性，阻抗最小，因此电路电流最大，这时的电流就被称为谐振电流，这个电流是纯阻性的电流和电压同相位：这时，感抗等于容抗，我们就将其值大小称为特性阻抗：那么特性阻抗ρ和电阻R的比值就叫做品质因数，品质因数怎么理解同学们，其实在串联谐振中就象征着谐振电压也就是L和C上的电压的大小与电阻R上电压大小的比值是不是？那就是说，如果设计这样一个RLC串联回路的品质因数越高，那么谐振电压就会越高，我们在一些电子器件如收音机可以通过设计品质因数实现输出高于输入数十倍大小的电压，但我们在电力生产中，在电力线路上，则要尽量避免串联谐振，因为这时候可能产生局部高电压使绝缘击穿，以后同学们学习高电压绝缘技术，这个又被称为谐振过电压：因此，我们在防治谐振过电压时，可以通过引入自动调谐装置，在传感器检测到电路发生谐振时，此时自动调谐装置将自动介入工作，通过补偿电容等方式使电路退出谐振。好，学完串联谐振，我们还是一起来看一个随堂练习题吧：请各位同学翻到书上例题5-30：一收音机的输入电路中，电感L=0.233mH与可调电容C=42.5~360pF串联，求谐振的频率范围。答：先审题。说的是谐振的频率范围，为什么这里会有个范围呢，因为这里说的是可调电容，我们根据公式，调节电容大小范围，可以得到一个单调的相应的谐振频率范围：教师讲串联谐振相关知识点，注意与学生问答互动教师播放思政视频，关于谐振过电压的现场击穿示意视频，引导学生建立防治谐振过电压的意识，养成电力安全生产理念学生听讲，记笔记，在老师讲完课后逐次各小组回答课堂提问（串联谐振是什么，有什么特点，品质因数是什么，如何识别是否存在串联谐振，固有频率怎么算）学生观看思政案例：线路的谐振过电压绝缘击穿视频。设计意图：通过实操、观看视频和教师讲解让学生掌握串联谐振的基本原理和特征，包括谐振频率的计算等；资源：试验场地和试验器具、多媒体PPT、参考教材。并联谐振新课内容，并联谐振好，既然有串联谐振，同学们，是不是相应就是有并联谐振呀？同学们完全可以类比思考一下，对吧，串联谐振中谐振电压会偏大，并联谐振中呢？那就是电流，学过串联谐振，并联谐振就要简单好理解多了，好我们一起来看看并联谐振是怎么回事同样，并联谐振时，电压和电流同相，电路呈纯阻性，这时候我们来分析这个电路，为了使之纯阻性，那么：这个时候导致什么结果呢，也就是并联谐振是什么特征呢？电感电流和电容电流大小相等，方向相位相反，电路呢，电流也最小，因为这时候按照KCL和相量关系，电感和电容上面的电流对于两端连接处的节点，正好正负抵消，所以没有注入，同样电路不消耗无功，那为什么说电流最小呢，由于这时候对于后端LC而言，注入电流为0，所以相当于开路，对于并联电路，负载开路就是相当于并一个无限大电阻，所以这时候电流最小。那么对于并联谐振的品质因数又是什么呢，其实就是并联谐振时谐振支路L和C的电流相对总电流I的比值，因为品质因数说的就是谐振之后相应电压或电流的放大倍数，也就是：那相应的并联谐振有什么危害呢，那就是导致部分过电流，然后防治并联谐振，就可引入有源滤波器，消除谐振过电流大小。有源电力滤波器（APFactivepowerfilter）教师讲授并联谐振相关知识点教师播放图文视频思政案例，以有源滤波器在电力安全生产中消除谐波电流的效果建立学生的安全生产意识和对电流谐振的危害性认识学生讨论：类比法猜测并联谐振的定义、特征、发生条件等知识点思政案例：学生观看有源滤波器消除过电流的典型图文视频案例并小组为单位谈谈观后感设计意图：通过实操、观看视频和教师讲解让学生掌握并联谐振发生条件和串联谐振的区别，并联谐振的特征等；资源：试验场地和试验器具、多媒体PPT、参考教材。课后拓展完成任务工单1、任务工单2独立完成，在规定时间内提交到学习通平台教学评价本任务得分由教师评价、个人评价两部分构成。学生完成任务工单后，由教师打分和学生个人自评两部分构成。教师结合学生完成的任务工单给学生打分，占80%;学生结合任务工单给自己打分，占20%；两部分成绩之和作为本任务的最终成绩，计入平时成绩。反思诊